1.2 软磁材料磁特性及其参数

大家好 下面我们介绍第二小节 软磁材料磁特性及其应用 大家都知道磁性元件 它是由磁芯或者说磁路跟导体 或者说电路两者的交链所构成的 那么首先我们介绍一下磁性材料 磁性材料主要分为三大类 软磁 硬磁和矩磁 软磁材料它的特点是容易磁化 但是呢它也很容易退磁 它的磁导率很高 矫顽磁力很小 它的磁化曲线所表达出来的 就是一个窄长的一个矩形 一个梯形 相当于这里面的红色的这个线 是它一个理想化的一个曲线 那么它主要是应用在 起一个导磁的作用 它只是拿来让磁通经过它 所以在我们电气工程里面 会应用为 继电器 电机 那么在我们电力电子里面呢 会用于各种各样的电感 和变压器的磁芯 软磁材料也是我们开关电源中 应用得最广泛的一类材料 第二类是属于硬磁材料 它的特点是很难磁化 但是呢一旦磁化后它也很难退磁 它的磁导率很低 基本上跟空气是一样的 它的矫顽力很大 它的剩磁也很大 它的曲线的形状 相当于一个胖的宽的矩形 它主要是应用在产生永久的磁场 用在磁电式电表 扬声器 跟我们永磁电机中的永磁体 那在我们开关电源里面 在做电感的时候 有的时候就可以用这种永磁材料 给它施加一个反向的偏磁 所以可以起一个偏磁的作用 第三类材料是属于矩磁材料 它的特点是很容易磁化 但是呢也很容易退磁 它的磁导率非常高 达到了几万的一个数值 它的矫顽力很小 它的曲线的形状相当于一个 面积很小的一个 很直的一个很窄的一个矩形 那么这种特性呢 它在应用上就可以作为 两态的记忆合金 那在我们电力电子里面呢 可以作为磁开关 也就是说当我的电流 给它施加一定电流的以后 它的铁芯马上饱和 它的磁导率显著降低 这个磁阻就很小 当我没有加激励的时候 它呈现出非常高的一个磁导 它的阻抗就很大 相当于开关的关断 那么在我们电力电子里面呢 经常的来做辅助电源 就辅助的内路回路的磁放大器 那么这是三类这个磁性材料 那么首先我们来看一看 软磁材料的一个磁化过程 这是一个单向的磁化过程 当外部没有施加任何磁场的时候 没有磁动势的时候 那么这个磁芯呈现出一个中性状态 它里面的磁畴在各个方向是平衡的 对外不显示出任何的磁性 当我的外部的 H 磁场强度 增大的时候 那么磁畴的磁畴 B 开始发生位移 那么这个阶段呢 我们属于磁畴 B 位移阶段 那么在位移的过程中间 我的磁场就开始增大 我的磁通密度呢就开始增大 那么随着我外部磁场的进一步增大 磁畴 B 的位移就充分的位移了 那么再继续往上呢 就是磁矩的转动了 这时候呢不同方向的磁矩 就开始沿着磁场强度 这个磁场强度的方向在排列 那么不断地排列 那么当它所有的磁矩 都转动到一个方向以后 它就没有多余的磁矩了 这时候呢铁芯就开始进入饱和阶段 所以说呢我们的磁化曲线 它就呈现出这样的一种 趋向于饱和的一个曲线 那么如果是一个双向的励磁 当我磁场反向施加的时候 由于磁畴翻转需要克服阻力 需要克服机械摩擦的一个阻力 所以呢它不会沿着原来的路径再退磁 所以它必须滞后 这就是表现出一个磁滞的一个过程 所以呢对于一个双向磁化的一个磁芯 那么我们就要用磁滞回线来表达 那么我们往往要把 各个迟滞回线的顶点把它连起来 那么连起来以后的这条线 我们把它叫做基本磁化曲线 那么对于这样的一个 磁性材料的非线性特性曲线 那么我们就会用一些电磁参数来表示 首先是磁导率 磁导率又分为初始磁导率 也就是说是 B 跟 H 的比值 当我的 H 非常小的时候的磁导率 我们用阻抗分析仪 用 LCR 表所测量出来的磁导率 实际上都属于初始磁导率 因为这时候我们施加的磁通是很小的 再一个呢是增量磁导率 它是指在某一个工作点下 当我的 ΔB ΔH 变化的时候 它的一个斜率 在某一个 HDC 下面它的一个磁导率 所以我们叫做增量磁导率 μΔ 那么还一个呢叫做幅值磁导率 它是在磁化曲线的一个工作点上的 B 跟 H 的比值 它就属于幅值磁导率 那么这个三个磁导率 它的数值是完全不一样的 那在我们磁元件设计中间的 意义也是完全不同的 除了这三个磁导率以外 那么磁化曲线还有一个饱和磁密 也就是说我们磁芯 最大的工作磁密不能超过饱和 再一个呢就是剩磁磁密 Br 即使我的磁场 H 回到零了 或者我的励磁电流回到零了 那么这个磁芯呢 它仍然会有一部分的剩磁 这就叫做剩磁磁密 那如果是永磁体的话 那么这个剩磁磁密就很大 那如果是软磁的话 这个剩磁磁密就比较小 但是对于在设计中间 如果这个磁芯没有气隙的话 它又是工作在当下励磁状态 那么这个剩磁磁密呢 就还是需要考虑的 再一个就是矫顽磁力 矫顽磁力什么意思呢 就是说我要使我的 B 回到零点 那么我的 H 必须反向 给它一定的矫顽磁力 它才能够回到零 就要把让它从 Br 回到零 我必须反向施加一个磁场强度 它才能够回到零 那么这叫做矫顽磁力 除了前面讲到的这些基本的 电磁参数以外 在我们电力电子里面 我们还非常关注磁芯的损耗 那么磁芯的损耗主要又分成 磁滞损耗跟涡流损耗这两大类 那么我们先看磁滞损耗 当一个正弦的 H 一个交变的H 加在一个磁芯上的时候 那么它会沿着一个磁化曲线 或者说磁滞回线在交变的磁化 那么在励磁阶段 也就是说磁场的增加阶段 我们给这个磁芯所输入的能量 是从 A 点到 B 点 所组成的一个区域的面积 也就等于 H 乘上 dB 的一个积分 那么这个就是我们这里面所画的 红色的斜线的这个面积 这个面积就等于 H 乘上 dB 从 a 积到 b 再乘上我的总体积 这是励磁阶段所输入的能量 那么再去磁阶段呢 也就是我的磁通从 B 点又回到 回到 H 又回到零点 那么这时候呢能量是释放出来的 那么它的能量呢叫做 Eout 它是等于 HdB 它是从B点积分到C点 也就是蓝色的这一块阴影的面积 好 这个是输入的能量 这是输出的能量 那么它们两者的差 也就是我们所消耗的能量 那么这部分能量 实际上就是我们磁滞回线 所包围的一个面积 所以说呢磁滞回线 它就是磁化曲线的包围的一个面积 那么它的大小 是与激磁工作频率成正比的 也就是说你磁化一个周期 它损耗这么多 但是呢功率是一秒里面总的损耗量 所以呢它直接跟频率成正比 它同时呢还跟 磁通密度的大小的平方成正比 所以这是我们讲磁滞损耗的基本的特性 那我们再来看一下涡流损耗 涡流损耗的最基本的定理 根据的是电磁感应定律 也就是说磁通变化 它就会产生感应电动势 感应电动势在导体中就会感应出电流 那么这个电流我们也称为涡流 那么涡流在导体的电阻上就会产生损耗 那么这叫做涡流损耗 所以说我们的磁性材料 多多少少它都会导电 它都是一个导体 因此呢在高频下它就存在着涡流损耗 那么涡流损耗呢 可以简单的做这样一个计算 我们在磁芯中间 挖出一个微环的圆形 圆的一个微环 那么中间呢有一个有一个B 那么这时候呢微元所感应的电动势 E0 那么这个微环上面的小小的功率 dp 就等于感应电动势的平方 除上这个电阻也就是V平方除R 那么就可以推出来它的DP 是等于这个东西 然后呢总损耗就是把所有的体积 整个圆柱拿来做个积分 那么就可以得到这样的一个公式 那么我们就能大体的看到 涡流损耗它大小取决于 铁磁材料本身的电导率 所以高频的铁芯材料 它的电导率都比较高 这是相对铁氧体来说的 但是如果对硅钢片 对非晶带材它的电导率很高 涡流很大 这时候怎么办呢 这时候我们是通过把它变得很薄 来降低涡流损耗的 而不是通过电导率的降低 来降低涡流损耗 同时涡流损耗大小 与激磁工作的频率的平方是成正比的 所以它对平方很敏感 磁滞损耗是跟频率的一次方成正比 涡流损耗是跟频率的平方成正比 再一个涡流损耗大小 是与磁通密度的大小的平方也是成正比的 所以不管是涡流损耗 磁滞损耗 它跟磁通密度都非常敏感 对于磁性材料 我这边展示的是一个 TDK 的商业的材料 那么这个是它的基本的电气的参数 比如说初始磁导率 幅值磁导率 磁密 饱和磁密 功率损耗密度 它的电导率跟它的温度 还有它的一个密度 这是它的基本的参数 大家可以大体上可以有所了解 那除了这些基本参数以外 实际上我们还要更多的了解它的一个特性 也就是说随着温度变化 随着频率变化 随着偏磁变化 它的特性是怎么样变化的 好 我们先看随着温度变化 随着温度的增大 一般来说磁芯的磁导率是在增大的 但是一旦超过了居里点 它的磁导率就消失了 就磁性就消失了 它就突然间就降下来 所以我们的工作温度不能超过居里点 就这道理 再一个是频率特性 也就是说随着频率的增大 我们的磁导率它有一个范围 如果它频率再高了 它的磁导率呢就会开始降低 这主要是因为铁芯的涡流效应 阻碍了磁通的变化 它不让你的磁通建立起来 所以它的磁导率所表现出来的会降低 那除此以外呢还有一个原因 是磁畴的结构在比较高的频率下 它可能就会发生共振 那么一旦发生共振了 那么它的损耗呢就会很大 它的磁导率就会显着的下降 再一个是对偏磁的影响 那么随着偏磁的增大 磁导率都是会下降的 这就是我们设计电感 所需要关注的主要的一个参数 也就是说偏磁越高 磁导率就会开始下降 那么这里画的是增量磁导率 那么幅值磁导率 初始磁导率 也同样都有这样的特性 那么磁性损耗它跟什么因素有关 它首先跟材料有关 也就是说你不同的厂家 不同的型号的材料 它的损耗特性本身就不同 再一个是跟我的励磁频率有关 是跟我磁通的变化率有关 磁通的变化越快 或者说频率越高 它的损耗呢明显就会越高 再一个是跟我的磁通密度有关 磁通密度越大损耗也会越大 还有跟温度有关 尤其是对于铁氧体 它对温度非常敏感 像这张图你们就能看到 随着温度的增大 磁芯损耗是在降低的 但是呢过了这个最低点以后 温度增大损耗呢会上升 那么这种特性它有好有坏 它好的时候呢 就是说我们可以把 磁芯设计在比较高的温度点 这时候呢它的损耗密度反而小 但是这种非线性的有这个底部的 这样子的一个特性 有使我的工作要有一个稳定的地方 比如说如果我工作在这个区域 那么随着我的温度的上升 它的损耗在上升的 那么这时候呢就会使得 温度上升损耗上升 又使得我的温度上升 就容易进入一个恶性循环的 这样的一个情况 所以我们一般的磁性元件铁芯的温度呢 都会设计在最低点偏左一点 这就属于比较保险的温度 那么现在也在开发这些高温的铁氧体 也就是说它的最低的损耗工作点 会在 110 到 120 这样的一个度上 那么这样子就使得我们的磁芯 可以工作在更高的温度 我们的功率变换器的 这个功率密度就可以进一步的提高 除了这个以外还跟偏磁有关 偏磁是一个直流成分 它并不是交变成分 它本身是不产生涡流效应的 但是由于偏磁的存在 相当于给我的磁畴预先有了一个应力 那么这时候你的磁畴要翻转 就要克服这个预先的应力 所以偏磁它也会使我们的损耗有所增大 但是一般的工程设计 除了是学术研究以外 大家没有必要去 太多的讲究这个偏磁的影响 好 那么再一个影响因素呢 就是励磁波行 右边的这个损耗的参数数据 都是基于标准的正弦波下面得到的 因为正弦波是一个标准的波形 但是我们的开关电源 我们给的电压都是方波的激励 那么对应的电流就是一个三角波的激励 那么三角波激励 它就对应于很多的高次谐波 而且三角波如果占空比不是0.5的话 可能如果是 0.1 的话 那也就是说我的励磁的速度 在 0.1 的周期里面它会快速上升 在剩下的 0.9 周期里面 它又缓慢下降 那么就使得我的激磁 或者说励磁跟退磁的 磁通上升或者下降的速率是不一样的 那这样子呢它就无形中间 会使我的磁通的励磁速度上升 就会造成我的涡流损耗的增大 所以呢三角波下面的损耗 在 0.5 占空比下 它会比正弦波小一点 但是呢如果你的占空比是在 零点二 零点三那么它的损耗呢 就会有所增大 所以它是跟那个励磁波形有关系的 大家知道一下基本概念 以后的课程呢我们可以进一步的深入 好 那么一个磁性材料它有这么多特性 有损耗特性有不同的磁导率 有饱和 有剩磁 这有很多特性 但实际上我们在选用材料的时候 不可能要求这个材料什么都好 不可能说你损耗又要小 饱和磁密又要高 磁导率又要高 我们应该根据具体的应用 来选择合适的磁性材料 那我这一张表呢 是列出了变压器 电感器 滤波器 这三种材料它对各个性能的一个影响 那么对于变压器 正激变压器它对饱和是要注意的 尤其对于反激变压器 它更关注饱和 因为它有直流成分 正激变压器往往只有交流成分 所以它要更关注这一点 那么对变压器呢对正激 由于它是双向励磁的 所以它没必要太关注它的剩磁 但是对于反激变压器 还是要注意它的剩磁 虽然反激变压器加上气隙以后 它的剩磁会降低很多 但是呢还是需要关注 那么对变压器 我们就没必要关注它的初始磁导率了 因为它的磁通的波形 磁通都是很大的 不可能是很小的 那么也没必要关注它的增量磁导率了 那么它关注的是 幅值磁导率 μa 那么当然它也要关注我的损耗 那么对电感器呢 我们又分为直流电感 谐振电感 PLC 电感 那么对于直流电感它要通过直流 所以饱和特性是需要关注的 那么对于 PFC 电感 它更关注它的饱和 因为它有一个工频的分量 那么工频分量相对你开关频率来说 它就是一个低频分量 所以它更关注它的饱和 那么谐振电感当然也要关注饱和 那么这电感器呢 一般它就不会跟剩磁有关联了 是吧 它是完全都是一个 有气隙的量是吧 它不可能跟剩磁有关 那么它也不是初始磁导率有关 那它是主要是跟增量磁导率有关 那跟增量磁导率有关 那么由于尤其是对于直流电感器 它是在一个直流磁通下面 叠加上一个交流的纹波 那么这个纹波呢也不是很大 一般我们都是在这个 所谓的 KRP 就是纹波比都在 20% 左右 所以呢它就往往用这个增量磁导率 来表达我这个 μ 值的大小 但是对于谐振电感 它的工作磁通就比较大了 所以呢我们用一个幅值磁导率来表达 那么对 PFC 如果它是工作在连续 CCM模式 它相当于直流电感 但是如果它工作在临界或者说断续 它就要关注它的幅值磁导率了 同样对感器我们也要关注它的损耗 再一类是滤波器 那么滤波器又分为差模电感跟共模电感 那么对于差模电感 由于它流过的是功率电流 也就是我工频的功率电流 或者说是直流电流 那么它就要关注它的饱和问题 但是对于共模电感 它的这个工频成分 是两个绕组 N 绕组 L 绕组它是抵消的 所以呢它基本上是不会 存在饱和的问题的 那么对于剩磁部分 它这几个都没有 那么对于滤波器 由于它所处理的信号都是噪声信号 那都是非常小的信号 所以呢我们只要关注它的 初始磁导率就可以了 那么由于它的信号都非常小 所以呢我们没必要太多的关注它的损耗 所以说呢不同的磁元件 它对我们材料的特性就有不同的要求 那么这个是我们在选择材料的时候呢 要需要特别关注的 那么材料的简单介绍 我们就说到这里 再见